JP2010259211A - 交流発電機の自動電圧調整器 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化及び低コスト化が可能であり、かつ電力損失が少なく、高精度な自動電圧調整が可能な自動電圧調整器を提供する。
【解決手段】同期発電機１の出力電圧を、三相入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗより制御電源部４Ｂに取り込み整流して、この制御電源部４Ｂより、制御部５Ｂに電源電圧＋Ｖを与える自動電圧調整器において、入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに入力された３相交流電圧を、静電容量Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４で交流分を電圧降下させ、さらにダイオードｄ１１・ｄ１２、ｄ１３・ｄ１４、ｄ１５・ｄ１６からなる整流回路で整流し、この整流電圧を抵抗Ｒ９を介して定電圧素子及び平滑コンデンサC8で一定電圧＋Vを得、制御部５Ｂの電源電圧として出力する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、同期発電機などの交流発電機の自動電圧調整器、特に制御電源部に工夫を凝らした自動電圧調整器に関する。

従来の良く知られた同期発電機の主に自励方式の励磁装置で使用する自動電圧調整器について、図２に示す回路構成図を参照して説明する。同図において発電装置は、界磁巻線１ａを有する同期発電機１と、自動電圧調整器２とから構成されている。
また、自動電圧調整器２は、電圧検出部３と、制御電源部４と、制御部５と、電力制御部６とから構成されている。
電圧検出部３は、電圧検出用変圧器７と、整流平滑回路８とからなり、制御電源部４は、制御電源用変圧器９と、制御電源回路１０からなる。また、制御部５は、電圧設定回路１１と、電圧検出部３からの検出電圧と電圧設定回路１１からの設定電圧の偏差を求める加算器１２と、偏差つまり、誤差電圧を増幅する誤差増幅回路１３と、ＰＷＭパルス発生回路１４とを備えている。電力制御部６は、励磁電源を整流する主整流器１５と、スイッチング素子（FET）１６と、ダイオードＤＦとから構成されている。
この自動電圧調整器２では、同期発電機１の３相出力電圧の１相分の電圧を、制御電源部４の変圧器９で降圧し、制御電原回路１０で整流して所定の電圧を制御電源電圧として制御部５に供給する。また、同期発電機１の３相出力電圧を、電圧検出部３の３相の電圧検出用変圧器７で取り込み、整流平滑回路８で整流して検出電圧を加算器１２に入力して、加算器１２で設定電圧との偏差を求め、誤差電圧を誤差増幅回路１３で比例＋積分演算または比例＋積分＋微分演算してＰＷＭパルス発生回路１４に出力する。ＰＷＭパルス発生回路１４では誤差増幅回路１３の出力に従いＯＮ−ＯＦＦ信号を電力制御部６のスイッチング素子１６のゲートに加える。電力制御部６では主整流器１５で整流された直流電圧をスイッチング素子１６でスイッチングし、同期発電機１の界磁巻線１ａに流れる電流を調整する。これにより、加算器１２の出力、即ち偏差がゼロとなるよう同期発電機１の界磁巻線１ａに流れる電流を調整する。結果として、同期発電機１の出力電圧が設定電圧に等しくなるように制御する。
同期発電機の自動電圧調整器において、発電機の出力電圧を、電圧検出回路及び制御電源用に取り込むために変圧器を用いるようにしたものが開示されている（例えば特許文献１参照）。
また、同期発電機の自動電圧調整器において、発電機の出力電圧を電圧検出回路と励磁電源回路に取り込むために、変圧器を用いるようにしたものが開示されている（例えば特許文献２参照）。

特開平７−７９６００号公報（〔０００２〕、〔図面の簡単な説明〕図１） 実開平６−４１４００号公報（〔０００２〕、図１、図３）

上記したように同期発電機の自動電圧調整器には、一般に回路絶縁のため等の理由で電圧検出部、及び制御電源部の同期発電機の出力電圧取り込み用に変圧器を使用している。
しかしながら、変圧器は部品が大型であり、高価であるため、小型化、低コスト化が困難であり、自動電圧調整器の小型化、低コスト化を実現することも困難であった。
そこで、本願発明者等は、変圧器を使用しないで、小型化、低コスト化の可能な自動電圧調整装置を実現するために、種々の検討を行い、図３に示す自動電圧調整器２Ａを創出した。
この自動電圧調整器２Ａは、図２に示す従来の自動電圧調整器２に比べ、電圧検出部３Ａに電圧検出用変圧器７を使用せず、制御電源部４Ａに制御電源用変圧器９を使用しないようにしたものである。
電圧検出部３Ａは、同期発電機１の３相出力電圧を，各相毎にドロッパー用の抵抗器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７を介して、各相電圧をダイオードｄ１・ｄ２、ｄ３・ｄ４、ｄ５・ｄ６からなる整流回路で整流し、この整流電圧を平滑コンデンサＣ５、Ｃ６で平滑するとともに、分圧用の抵抗器Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２で分圧し、所定比で降圧した検出電圧を出力するようにしている。
また、制御電源部４Ａは、電圧検出部３Ａの整流回路の出力端子Ａの電圧を逆流防止用のダイオードｄ７及び限流抵抗器Ｒ９を通して定電圧素子ＺＤ２に加え、定電圧素子ＺＤ２の両端より一定の直流電圧を制御電源として制御部５Ａへ出力する。
この自動電圧調整器では、変圧器を使用しないため、いくらかの小型化，低コスト化が実現できるものの、なお
１）．抵抗器を使用したドロッパー方式で出力電圧を降圧して検出電圧、制御電源を得るものであるため、電源電圧が高くなると、それに応じて抵抗器の損失が大となり、抵抗器での損失は発熱を伴い、放熱する必要があり、結局、なお小型化、軽量化の妨げとなる。
２）．抵抗器の温度係数による抵抗値の変化及び制御電源部ヘのダイオードｄ７、限流抵抗器Ｒ９を通しての流入電流の変化により、電圧検出部での検出電圧が変動し結果として自動電圧調整器の電圧変動率が大きくなり、制御特性が悪化する。
という、問題が残されていた。
この発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、装置の小型化、低コスト化が可能であり、かつ電力損失が少なく、高精度な自動電圧調整が可能な交流発電機の自動電圧調整器を提供することを目的とする。

この発明の交流発電機の自動電圧調整器は、交流発電機の出力電圧を取り込み、整流して検出電圧を得る電圧検出部と、前記検出電圧と所定の基準電圧との偏差を求めて増幅し、前記発電機の出力電圧を所定値に制御する制御信号を出力する制御部と、この制御部よりの制御信号を受けて前記発電機の界磁巻線に加える電力を制御する電力制御部と、前記発電機の出力電圧を取り込み整流して所定値に降下した電圧を前記制御部に電源電圧として供給する制御電源部と、を備える交流発電機の自動電圧調整器において、前記制御電源部は、前記発電機の出力電圧の交流分を所定値分降下させる静電容量部と、残余の交流分を整流して前記制御部の所定低電圧の電源電圧を供給する整流部とから構成されることを特徴とする。
また、この発明の請求項２記載の交流発電機の自動電圧調整器は、請求項１に係る自動電圧調整器において、前記電圧検出部と前記制御電源部に入力される発電機の出力電圧は３相交流電圧であり、前記電圧検出部と前記制御電源部にそれぞれ並列に入力されるものであることを特徴とする。
また、この発明の請求項３記載の交流発電機の自動電圧調整器は、請求項１に係る自動電圧調整器において、前記電力制御部は、前記制御電源部の静電容量部に並列に、前記発電機の出力電圧を取り込んで整流し、電力制御半導体及び電力制御半導体を駆動する電源を備え、前記制御部の出力と前記電力制御部の入力間に、フォトカプラを設けたことを特徴とする。

請求項１，請求項２記載の発明によれば、交流発電機の出力電圧を電圧検出部および制御電源部に取り込むのに、変圧器を使用せず、静電容量（キャパシター）を用いてドロップさせているので、装置を小型化、低コスト化でき、そのうえ、静電容量による電力消費がないことにより、発熱による放熱などの心配がなく、高精度の自動電圧調整が可能である。
請求項３記載の発明によれば、電圧検出部及び制御部と電力制御部を絶縁することが出来、制御部の基準電位が電力制御部の動作状態による影響を受けず自動電圧調整器を正常に動作させることができる。

この発明の一実施形態に係る同期発電機の自動電圧調整器の回路構成を示す回路図である。 従来より使用されている同期発電機の自動電圧調整器の回路構成の一例を示す回路図である。 発明者等が創出した同期発電機の自動電圧調整器の回路構成を示す回路図である。

以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る同期発電機の自動電圧調整器の回路構成を示す回路図である。
この実施形態に係る自動電圧調整器２Ｂには、電圧検出部３Ｂと、制御電源部４Ｂと、制御部５Ｂと、電力制御部６Ｂと、を備える点で基本的な構成は、図２に示す従来の自動電圧調整器２と同様である。
また制御部５Ｂが、電圧設定回路１１と、電圧設定回路１１からの設定電圧と電圧検出部３Ｂからの検出電圧の偏差を求める加算器１２と、偏差を演算する誤差増幅回路１３と、パルス発生回路１４とから構成される点で図２に示すものと同様である。
この実施形態自動電圧調整器２Ｂは、さらに制御部５Ｂのパルス発生回路１４からのパルス信号を非接触で電力制御部６Ｂに入力するためのフォトカプラ７Ｂを備えている。
この実施形態自動電圧調整器２Ｂの最も特徴とするところは、電圧検出部３Ｂと制御電源部４Ｂにおいて、同期発電機１よりの出力電圧を取り込むのに変圧器を使用しない構成としたことである。具体的には、電圧検出部３Ｂにおいて、同期発電機１の３相出力電圧を入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを経て取り込み、それぞれ抵抗器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７を介して電圧降下させ、さらにダイードｄ１・ｄ２、ｄ３・ｄ４、ｄ５・ｄ６で構成される整流回路で整流し、かつ、この整流電圧をコンデンサＣ５、Ｃ６で平滑するとともに、抵抗器Ｒ１０、Ｒ１１，Ｒ１２で分圧し、抵抗器Ｒ１１と抵抗器Ｒ１２との接続点より検出電圧を導出し、制御部５Ｂの加算器１２に入力するようにしている。ここでは、同期発電機１の３相出力電圧を入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに例えば２２０Ｖ入力し、この３相電圧をドロッパーとしての抵抗器Ｒ５，Ｒ６、Ｒ７、及び抵抗器Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２で分圧し０．数Ｖ程度の検出電圧を加算器１２に入力している。
なお、この実施形態装置では、同期電動機１の３相出力電圧が４００Ｖオーダの高電圧であるため、変圧器ＶＴを介して２２０ｖに落とし、自動電圧調整器２Ｂの入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに入力しているが、同期電動機１の３相出力電圧が２２０Ｖ程度の低いものであれば変圧器ＶＴを用いることなく、直接入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに入力するものであってもよい。
制御電源部４Ｂにおいて、同期発電機１の３相出力電圧を、入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを経て電圧検出部３Ｂの抵抗器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７による取り込みと並列に、取り込み、それぞれ静電容量（キャパシター）Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を介して交流分を電圧降下させ、さらにダイオードｄ１１・ｄ１２、ｄ１３・ｄ１４、ｄ１５・ｄ１６で整流し、かつ、この整流回路の出力端子Ｂの電圧を、抵抗器Ｒ９を介して定電圧素子（ツェナーダイオード）ＺＤ２、及び平滑コンデンサＣ８で一定電圧＋Ｖを得、制御部５Ｂの電源電圧＋Ｖとして出力している。
ここでは、静電容量Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の各容量は、例えば０．６８μＦ程度とし、抵抗器Ｒ９を２００Ωとし、電源電圧＋Ｖを＋数Ｖ程度としている。この制御電源部４Ｂでは、静電容量Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４で交流電圧をドロップ（降圧）するものであり、かつこれら静電容量は抵抗器と相違し、電力消費が殆ど無いので静電容量Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は抵抗器のように大型とする必要が無く、小型、低コストの部品を使用でき、自動電圧調整器の回路及び装置全体としても小型、低コストのものを実現することが出来る。
また、電圧検出部３Ｂと制御電源部４Ｂの、同期発電機１の出力電圧の取り込みを抵抗器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７と静電容量Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とによりそれぞれ並列に行うので、制御電源部４Ｂの負荷変動は、検出電圧に影響を与えることがなく、制御電源電圧を出力するのに、検出電圧に変動を与えることがなく、検出電圧の変動による制御誤差を生じさせることがない。
電力制御部６Ｂは、同期発電機１の３相出力電圧を入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを経てダイオードｄ２１・ｄ２２、ｄ２３・ｄ２４、ｄ２５・ｄ２６からなる整流回路２１に加え、この整流回路２１で整流して直流励磁電源を得る。この電力制御部６Ｂは、整流回路２１のほか、直流励磁電源をチョッピングするスイッチング用の電界効果トランジスタ（電力制御半導体）Ｑ１と、このトランジスタＱ１を駆動するためのゲート駆動回路２２と、このゲート駆動回路２２に駆動電源を供給するゲート駆動用電源回路２３と、サージ吸収用のコンデンサＣと、を備えている。
この電力制御部６Ｂのゲート駆動回路２２へのパルス信号は、従来、制御部５Ｂのパルス発生回路１４よりのパルス信号を直接入力しているが、この実施形態自動電圧調整器では、パルス発生回路１４とゲート駆動回路２２間にフォトカプラ７Ｂを設け、パルス信号をフォトカプラ７Ｂを介して電気的に非接触でゲート駆動回路２２に加えるようにしている。このように構成することにより、電圧検出部３Ｂ、制御電源部４Ｂへの入力電圧取り込みに変圧器を使用しなくても、電圧検出部３及び制御部５Ｂと電力制御部６Ｂを絶縁することが出来、制御部５Ｂの基準電位（ＣＯＭ)が電力制御部(励磁電源回路)６Ｂの動作状態による影響を受けず自動電圧調整器を正常に動作させることができる。
なお、上記実施形態において、電力制御部６Ｂは、スイッチング素子Ｑ１としてトランジスタによるチョッパー方式のものを採用しているが、これに代えてダイオードとサイリスタからなる混合ブリッジによる位相制御式の電力制御部を用いてもよい。
また、上記実施形態において、電圧検出部３Ｂ及び制御電源部４Ｂへは、同期発電機１の出力電圧の３相交流電圧を取り込むようにしているが、この発明は、もちろん同期発電機１の出力電圧の単相分を取り込む場合に適用してもよい。
また、上記実施形態では、発電機は同期発電機として説明したが、この発明は、勿論同期発電機以外の他の交流発電機にも適用できる。

１ 同期発電機
２Ｂ 自動電圧調整器
３Ｂ 電圧検出部
４Ｂ 制御電源部
５Ｂ 制御部
６Ｂ 電力制御部
７Ｂ フォトカプラ
１１ 電圧設定部
１２ 加算器
１３ 誤差増幅回路
１４ パルス発生回路
２１ 整流回路
２２ ゲート駆動回路
２３ ゲート駆動用電源回路
Ｑ１ スイッチングトランジスタ
Ｃ サージ吸収用コンデンサ

Claims (3)

1. 交流発電機の出力電圧を取り込み、整流して検出電圧を得る電圧検出部と、
   前記検出電圧と所定の基準電圧との偏差を求めて増幅し、前記発電機の出力電圧を所定値に制御する制御信号を出力する制御部と、この制御部よりの制御信号を受けて前記発電機の界磁巻線に加える電力を制御する電力制御部と、前記発電機の出力電圧を取り込み整流して所定値に降下した電圧を前記制御部に電源電圧として供給する制御電源部と、を備える交流発電機の自動電圧調整器において、
   前記制御電源部は、前記発電機の出力電圧の交流分を所定値分降下させる静電容量部と、残余の交流分を整流して前記制御部の所定低電圧の電源電圧を供給する整流部とから構成されることを特徴とする交流発電機の自動電圧調整器。
2. 前記電圧検出部と前記制御電源部に入力される発電機の出力電圧は３相交流電圧であり、前記電圧検出部と前記制御電源部にそれぞれ並列に入力されるものであることを特徴とする請求項１記載の交流発電機の自動電圧調整器。
3. 前記電力制御部は、前記制御電源部の静電容量部に並列に、前記発電機の出力電圧を取り込んで整流し、電力制御半導体及び電力制御半導体を駆動する電源を備え、前記制御部の出力と前記電力制御部の入力間に、フォトカプラを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の交流発電機の自動電圧調整器。

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